新型非热式流速流向传感器的研制

摘要

本论文首次提出了一种基于电容测量原理和阳极键合技术的二维流速流向传感器，对该传感器的性能指标进行了理论计算和ANSYSTM有限元模拟，为该传感器设计了一套加工方案。实际加工结果表明该方案切实可行，测试结果表明传感器达到了设计指标。 相对于目前广泛应用在风速计等领域的传热式流速流向传感器，本文所述的电容非热式传感器的主要优点有：功耗小、没有热传导带来的测量误差、电容测量的温漂小、响应时间短并可以应用于一些对加热有限制的场合。 相对于现有的非热式流速传感器，本文所述传感器的主要优点是可以在测量流速的同时实现二维流向的测量。 本传感器的原理是：通过支撑梁结构，将流体对结构的压力转化为结构的位移，再通过检测四组正交电容间距的改变来获得结构的位移值，从而获得流速和流向信息。 传感器的加工方案基于阳极键合、CMP(化学机械磨抛)和ICP(互感耦合等离子刻蚀)，在硅和玻璃的键合界面有空腔以及金属引线的存在。 为了使这套工艺能够成为一套通用工艺，适用于其它类似结构的加工，本文研究了该工艺和现有成熟工艺不同之处给加工带来的影响并提出了一些解决办法。本文研究了ICP刻蚀造成的空腔和金属引线对阳极键合的影响，同时也研究了阳极键合所加的温度和电压对金属引线的影响。实验证明，空腔和台阶对阳极键合的影响相当小，同时阳极键合的条件对金属引线的影响也可以通过改变工艺温度来加以控制，并且带有空腔的键合硅片能够承受CMP磨抛。 传感器的结构尺寸为6mm×6mm×0.12mm。测量得到的零点电容为2.4 pF。结构电容变化情况良好，理论值和测量值的误差小于9％。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

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第一章绪论

1.1引言

1.2流速流向传感器的发展现状

1.3非热式流速流量传感器

1.3.1非热式测量原理

1.3.2非热式硅流速流量传感器

1.3.3评述与小结

1.4本论文主要工作及论文纲要

第二章电容式流速流向传感器的设计和分析

2.1引言

2.2传感器基本结构及工作原理

2.3传感器结构的计算分析

2.3.1绕流阻力

2.3.2结构应变

2.3.3电容变化

2.3.4不同结构参数下的分析结果

2.4传感器设计

2.4.1传感器结构尺寸

2.4.2传感器性能指标

2.4.3传感器材料及工艺方案

2.5小结

第三章传感器的版图和工艺加工

3.1引言

3.2版图设计

3.3传感器加工过程

3.3.1加工材料选择

3.3.2刻蚀固定电容极板

3.3.3刻蚀凸点

3.3.4刻蚀电容极板间隙以及弹簧梁下空腔

3.3.5金属引线

3.3.6阳极键合

3.3.7硅片减薄

3.3.8 ICP刻蚀释放结构

3.4传感器加工样品

3.5小结

第四章传感器关键工艺讨论

4.1引言

4.2材料选择

4.3阳极键合

4.3.1金硅合金

4.3.2金属引线台阶的影响

4.4薄膜厚度控制

4.5小结

第五章传感器的测试结果及分析

5.1引言

5.2测试结果及讨论

5.2.1外形尺寸

5.2.2电容输出

5.3 小结

第六章总结与工作展望

6.1总结

6.2工作展望

参考文献

附录

作者简介

在学期间发表论文和申请专利

致谢